[发明专利]基于二维和三维钙钛矿复合结构的突触晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于二维和三维钙钛矿复合结构突触晶体管及其制作方法，主要解决现有二端钙钛矿突触器件模拟突触行为不准确的问题，其自下而上，包括玻璃衬底(1)、透明氧化物栅电极(2)、钙钛矿区(3)、源电极(4)、漏电极(5)和封装保护层(6)。该离子介质层采用三维钙钛矿材料，导电沟道层采用二维钙钛矿材料；利用三维钙钛矿材料中离子迁移形成的电场以调制二维钙钛矿材料中的载流子输运；器件栅极模拟突触前膜作输入端；器件源漏模拟突触后膜以读取突触后电流，本发明能同时调节载流子输运和栅控两个过程，实现对源漏电流的调控，提升突触晶体管对突触行为模拟的准确性，可用于模拟人类神经突触，构建神经网络系统。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种突触晶体管及其制备方法，可用于模拟人类神经突触，构建神经网络系统。

背景技术

以数据信息为基础的人工智能、大数据、物联网等新兴技术正在深刻改变人类的生活、引领人类进入智能信息时代。但是,面对日益膨胀的数据信息,传统的计算机由于计算单元和存储器的物理分离，即冯诺依曼瓶颈，早已无法满足灵活处理和存储大量信息的需求。如何提高存储和运算的效率成为人类不得不面对的难题。相比之下，人类大脑高度并行的非线性信息处理能力展现出了明显的优势，能够在～20W低能耗、和～10Hz的低频率的工作条件下，高效率地完成学习、感知、识别、记忆、思考等一系列复杂过程。人类大脑这样强大的能力关键在于其拥有数百亿神经元和数百万亿突触组成的低能耗、高速度与小型化的神经网络系统，而突触是这一系统实现信息传递的“核心器件”。因此，发展人工突触器件、构建神经态系统已经成为智能信息时代的迫切需求和必然选择。利用单个器件完全模拟生物突触的功能具有重要的研究意义，但传统的Si基CMOS技术无法完成这一挑战。近年来，众多新材料、新器件、新机理的不断涌现为人工突触器件的发展带来新的契机。

在众多新材料中，凭借独特的材料性质，包括可调的带隙、载流子易于调控、超柔性和＜150℃的低温合成工艺以及快速的离子迁移，而兼具电子和离子导电性的钙钛矿材料已经成为人工突触器件的重要潜在材料。目前已报道的钙钛矿突触器件以二端型忆阻器为主流，导电细丝理论是主要的阻变机理，模拟了突触可塑性以及学习记忆过程。但这种结构的缺点在于导电通路单一，不能同时进行信号传送和调节的操作，因此二端的人工突触无法同时实现信号传输和学习。与之相比，三端结构场效应晶体管能够通过栅极电压调控源漏之间的导电沟道，进而精确控制源漏电流。故而可将导电沟道和栅极分别看作信号传输和调节模块。因此，凭借器件机理的天然优势，场效应晶体管型三端突触器件将超过二端结构器件而处于主流地位。

然而，目前基于卤化物钙钛矿的三端晶体管型突触器件研究非常缺失，国内外尚没有三端钙钛矿突触晶体管的相关报道。三端钙钛矿突触晶体管的主要问题在于，卤化物钙钛矿材料中离子迁移行为限制了器件性能。对于典型的三维有机无机钙钛矿多晶薄膜而言，其晶体管器件中载流子在横向和界面的传输特别容易受到多晶薄膜晶面状态和晶粒中普遍存在的缺陷的影响。例如，由于钙钛矿的离子半导体特性，当给突触晶体管施加一定强度的栅极电压时，在钙钛矿材料和电介质界面处就会形成离子屏蔽效应，使得栅压失去作用，从而不能有效调控沟道中载流子的传输。因此，直接将三维钙钛矿多晶薄膜作为沟道材料难以获得高性能三端突触晶体管。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺失，提供一种基于二维和三维钙钛矿复合结构的突触晶体管及其制备方法，以有效调控沟道中载流子的传输，获得高性能的三端突触晶体管。

本发明的技术思路是：在保留三维钙钛矿材料作为栅极以用做输入端的基础上，另外采用二维钙钛矿材料来作为导电沟道层，以在实现信号传输和信号调节的同时，避免只采用传统三维钙钛矿结构而产生的调控失效现象。

根据上述思路，本发明的技术方案实现如下：

一种基于二维和三维钙钛矿复合结构的突触晶体管，自下而上包括：玻璃衬底、透明氧化物栅电极、钙钛矿区、源电极、漏电极、封装保护层，其特征在于：

所述钙钛矿区分为离子介质层、离子阻挡层和导电沟道层；